制冷的方法

一些制冷方法简介人工制冷的方法很多，主要有相变制冷、气体膨胀制冷、热电制冷等。相变制冷中除以消耗机械能（或电能）作为补偿过程的蒸气压缩式制冷外，尚有消耗热能的吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷、吸附式制冷等。蒸气压缩式制冷前面已作过详细论述，下面将对其它制冷方式作简要介绍。4.1吸收式制冷吸收式制冷机是一种以热能为主要动力的制冷机，它的工作原理早在十八世纪七十年代就已提出，直到1859年才试制成功第一台吸收式制冷机。早期的吸收式制冷循环用氨水溶液作工质，其中氨为制冷剂，水为吸收剂，并使用水蒸汽为热源。它是一种蒸发温度较低的吸收式制冷循环。当热源温度在100～150℃范围内，冷却水温度为10～30℃时，蒸发温度可达-30℃；两级氨水吸收式制冷循环则可获得更低的蒸发温度。但是氨有毒、对人体有危害，因而它的应用受到限制。由于装置比较复杂，金属消耗量大，加热蒸汽的压力要求较高，冷却水消耗量大，热力系数较低，使氨水吸收式制冷机的使用受到限制。随着制冷技术的发展，1945年美国开利公司试制出第一台制冷量为523kW的单效溴化锂吸收式制冷机，开创了吸收式制冷机的新局面。1966年我国的上海第一冷冻机厂试制出了制冷量1160kW的单效溴化锂吸收式制冷机。溴化锂吸收式制冷循环以水为制冷剂，以溴化锂溶液为吸收剂，蒸发温度较高（0℃以上）适用于空调，这种工质无毒、无臭、无味，对人体也无害。溴化锂吸收式制冷机可用一般的低压蒸汽或60℃以上的热水作为热源，因而在利用低温热能及太阳能制冷方面具有独特的作用。当前由于限制使用CFCs的国际性蒙特利尔议定书已开始实施，世界各国对吸收式制冷更加重视，因此溴化锂吸收式制冷机的生产正在迅速发展。4.1.1吸收式制冷工作原理1．吸收式制冷工作原理吸收式制冷是用热能作动力的制冷方法，它也是利用制冷剂汽化吸热来实现制冷的。因此，它与蒸气压缩式制冷有类似之处，所不同的是两者实现把热量由低温处转移到高温处所用的补偿方法不同，蒸气压缩式制冷用机械功补偿，而吸收式制冷用热能来补偿。为了比较，图4-1同时给出了吸收式和蒸气压缩式制冷机的工作原理图。吸收式制冷机中所用的工质是由两种沸点不同的物质组成的二元混合物（溶液）。低沸点的物质是制冷剂，高沸点的物质是吸收剂。吸收式制冷机中有两个循环—制冷剂循环和溶液循环。图4-1吸收式和蒸汽压缩式制冷机工作原理a）吸收式制冷机b）蒸汽压缩式制冷机E一蒸发器C一冷凝器EV一膨胀阀CO一压缩机G一发生器A一吸收器P一溶液泵吸收式制冷循环是由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器以及溶液泵、节流器等组成。1）制冷剂循环的完成过程，由发生器G出来的制冷剂蒸气（可能含有少量的吸收剂蒸气）在冷凝器C中冷凝成高压液体，同时释放出冷凝热量。高压液体经膨胀阀EV节流到蒸发压力，进人蒸发器E中。低压制冷剂液体在蒸发器中蒸发成低压蒸气，并同时从外界吸取热量（实现制冷）。低压制冷剂蒸气进入吸收器A中，而后由吸收器、发生器组成的溶液循环将低压制冷剂蒸气转变成高压蒸气。2）溶液循环过程，在吸收器中，由发生器来的稀溶液（若溶液的浓度以制冷剂的含量计）吸收蒸发器来的制冷剂蒸气，而成为浓溶液，吸收过程释放出的热量用冷却水带走。由吸收器出来的浓溶液经溶液泵P提高压力，并输送到发生器G中。在发生器中，利用外热源对浓溶液加热，其中低沸点的制冷剂蒸气被蒸发出来（可能有少量吸收剂蒸气同时被蒸发出来），而浓溶液成为稀溶液。溶液由吸收器→发生器→吸收器的循环实现了将低压制冷剂蒸气转变为高压制冷剂蒸气。不难看到，吸收式制冷机中制冷剂循环的冷凝、蒸发、节流三个过程与蒸气压缩式制冷机是相同的，所不同的是低压蒸气转变为高压蒸气的方法，蒸气压缩式制冷是利用压缩机来实现的，消耗机械能；吸收式制冷机是利用吸收器、发生器等组成的溶液循环来实现的，消耗热能。很显然，发生器—吸收器组起着压缩机的作用，故称为“热化学压缩器”。吸收式制冷机中所用的二元混合物主要有两种—氨水溶液和溴化锂水溶液。氨水溶液中氨为制冷剂，水为吸收剂。溴化锂水溶液中水为制冷剂，溴化锂为吸收剂。在空调工程中目前普遍采用的是溴化锂水溶液，这种制冷机称为溴化锂吸收式制冷机。本章将主要讨论这种制冷机的热力循环、结构与性能。2．吸收式制冷循环的热力系数和热力完善度1）热力系数是吸收式制冷机的效率，热力系数的定义为＝gQQe式中eQ——吸收式制冷机的制冷量，即蒸发器中吸取的热量（KW）；gQ——发生器中消耗的热量（KW）。2）最大热力系数是指制取冷量eQ所需的最少热量gQ，可由热力学第二定律求得max＝gQQe＝ηc·εc式中ηc——卡诺循环热效率；εc——逆卡诺循环制冷系数。由于实际循环中的不可逆性的存在，所以实际循环热力系数＜max，热力系数与最大热力系数之比称为热力完善度，以表示，其数值永远小于1。＝/max4.1.2吸收式制冷机的工质对4.1.2.1吸收式制冷循环工质的选择要求吸收式制冷以两种沸点相差很大的物质组成的二元溶液作为工质。其中沸点低的物质在温度较低时容易被沸点高的物质吸收；而在温度较高时，沸点低的物质又容易汽化（或称挥发）从溶液里分离出来在吸收式制冷循环中的二元溶液工质，沸点低的物质作制冷剂，沸点高的物质作吸收剂。因此，将这种工质称为制冷剂——吸收剂工质对，简称为工质对。1.吸收式制冷循环对制冷剂的选择要求与蒸汽压缩式制冷基本相同，应具有较大的单位容积制冷量，工作压力不应太高或太低，价廉，无毒，不爆炸和不腐蚀等性质。2.对吸收剂的选择应具有如下要求：1）吸收剂应具有强烈吸收制冷剂的能力，这种能力越强，在制冷机中所需要的吸收剂循环量越少；发生器工作热源的加热量﹑在吸收器中冷却介质带走的热量以及泵的耗功率也随之减少。2）作为吸收剂和制冷剂的两种物质，它们的沸点希望相差越大越好。吸收剂的沸点越高，越难挥发，在发生器中蒸发出来的制冷剂纯度就越高。如果吸收剂不是一种极难挥发的物质，则发生器中蒸发出来的将不全是制冷剂，这就必须通过精馏的方法将这部分吸收剂除去，否则将影响制冷效果。使用精馏方法将吸收剂与制冷剂分开，这不仅需要专用的精馏设备，而且由于精馏效率的存在而降低了制冷循环的工作效率。3）吸收剂也希望具有较大的热导率，较小的密度和粘度，而且应具有较小的比热，以提高制冷循环的工作效率。4）在化学性质方面与制冷剂一样，要求无毒﹑不燃烧﹑不爆炸，对制冷机的金属材料无腐蚀和具有较好的化学稳定性。5）吸收式制冷循环工质对所组成的二元溶液，必须是非共沸溶液。因共沸溶液具有共同的沸点，故共沸溶液不能作为吸收式制冷循环的工质对。4.1.2.2吸收式制冷循环工质对吸收式制冷循环的工质对随制冷剂的不同大致分为四类。1.以水作为制冷剂的工质对除了目前广泛应用的溴化锂水溶液外，对水-氯化锂（H2O-LiCl）﹑水-碘化锂（H2O-LiI）也进行了研究，因为它们对设备的腐蚀性较小，而且水-碘化锂便于利用更低品位的热源，但它们的溶解度小，使制冷机的工作范围过窄。故又提出了三元工质系，如水-氯化锂-溴化锂，它能采用水-氯化锂性能之优点而又用溴化锂改善了其工作范围过窄的缺点。水-溴化锂-硫氰酸锂（H2O-LiBr-LiSCN）三元溶液已试用于太阳能吸收式制冷循环中。2.以氨为制冷剂的工质对主要有氨水（NH3-H2O）、乙胺-水（C2H5NH2-H2O）、甲胺-水（CH3NH3-H2O）以及硫氰酸钠-氨（NaSCN-NH3）等。用甲胺、乙胺能减轻氨固有的毒性的爆炸性，而乙胺还因其蒸汽压比较低，用于热泵很有好处。而硫氰酸钠用于太阳能吸收式制冷循环中性能好，造价低。3.乙醇作为制冷剂的工质对主要有甲醇-溴化锂（CH3OH-LiBr）、甲醇-溴化锌（CH3OH-ZnBr2）、甲醇-溴化锂-溴化锌（CH3OH-LiBr-ZnBr2）；乙醇-溴化锂-溴化锌（C2H5OH-LiBr-ZnBr2）等等。甲醇有较大的汽化潜热，可制取0℃以下的低温，而对金属材料不起腐蚀作用，是一种比较理想的制冷剂。用乙醇作制冷剂其性能比甲醇差一些，但其最大的优点是发生器加热温度较低，因而用于太阳能吸收式制冷机中比较合适。4.以氟利昂为制冷剂的工质对以氟利昂为制冷剂的工质对主要有氯二氟甲烷-二甲替甲酰胺(R22-DMF)、氯二氟甲烷-四甘醇二甲醚(R22-E181)、氯二氟甲烷-酞酸二丁酯(R22-DBP)等。在高发生温度和低冷凝温度下采用R22-DMF较有利，对于较低发生温度和较高冷凝温度，如太阳能制冷系统则以采用R22-E181为好。到目前为止，提出的吸收式制冷循环工质的种类很多，但是实际上使用的还只限于氨-水溶液与溴化锂-水溶液两种。4.1.2.3常用吸收式制冷循环工质对性质1.溴化锂-水溶液溴化锂水溶液是由固体的溴化锂溶质溶解在水溶剂中而成。溴化锂由碱族中元素锂（Li）和卤族中的元素溴（Br）两种元素组成。溴和锂与氯和钠在元素周期表中分别属于卤族和碱族元素，溴化锂的化学性质与氯化钠相似。在大气中不会变质﹑分解和挥发，性质稳定。无水溴化锂是白色块状﹑无毒﹑无臭﹑有咸苦味，其主要性质如下：分子式，LiBr；分子量，86.856；成分，Li，7.99％,Br，92.01％；比重，3.464(25℃)；熔点，549℃；沸点，1265℃。用溴化锂水溶液作为吸收式制冷循环的工质是比较理想的，因为在常压下，水的沸点是100℃，而溴化锂的沸点为1265℃，两者相差甚大，因此，溶液沸腾时产生的蒸汽几乎都是水的成分，很少带有溴化锂的成分，这样就勿须进行精馏就可得到几乎纯制冷剂蒸汽。水作为制冷剂，有许多优点：价格低廉﹑取之方便﹑汽化潜热大﹑无毒﹑无味﹑不燃烧﹑不爆炸等。缺点是常压蒸发温度高，而当蒸发温度降低时，蒸发压力也很低，蒸汽的比容又很大。另外，水在0℃就会结冰，因此，用它作制冷剂所能达到的低温仅限于0℃以上。供吸收式制冷机应用的溴化锂，一般以水溶液的形式供应。但应符合下列要求：1）性状：无色透明液体、无毒、有咸苦味，溅在皮肤上微痒。加入铬酸锂后溶液呈淡黄色；浓度，50％±1％；酸碱度，pH值为9.0～10.5；2）杂质最高含量：氯化物（Clˉ），0.5％；硫酸盐（S4Oˉˉ），0.05％；溴酸盐（BrO3ˉ），无反应；氨（NH3），0.001％；钡（Ba），0.001％；钙（Ca），0.005％；镁（Mg），0.001％；另外，溶液中不应含有二氧化碳（CO2）﹑臭氧（O3）等不凝性气体。2.氨-水溶液氨由于它有较好的热力性质，价廉易得，是一种应用很广的制冷剂（详见第二章）。氨极易溶解于水，在常温下，一个体积的水可溶解约700倍体积的氨蒸汽，因此，氨水很早就被人们利用作为吸收式制冷机的工质对。氨溶解在水中大部分是呈氨分子状态存在的，只有少数氨分子与水结合而生成NH4OH﹑电离为NH4＋与OH¯，因此，溶液呈弱碱性。在很多性质上氨水溶液仍然具有氨的性质，如氨水同样是无色的，带有特殊刺激性臭味。纯粹的氨水对钢无腐蚀作用，但能腐蚀锌﹑铜﹑青铜及其他铜的合金（高锡磷青铜除外）。温度过低时，氨水溶液将析出结晶，已经发现的有：NH3H2O，它的结晶温度为-79℃，另一种为2NH3H2O，它的结晶温度为-78.8℃，这就限制了氨水溶液在吸收式制冷循环中所能达到的最地温度。氨与水的沸点不如溴化锂与水沸点相差大，仅相差133℃。因此水相对于氨也具有一定的挥发能力。当氨水溶液被加热沸腾时，氨蒸发出来的同时也有部分水被蒸发出来。所以在氨水吸收式制冷循环中需用精馏方法来提高进入冷凝器的氨蒸汽浓度。4.1.3吸收式制冷循环溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂，可制取0℃以上的冷水，多用于空调系统。溶液的质量分数是以溴化锂的质量与溶液总质量之比来表示的。4.1.3.1溴化锂水溶液的性质1.水水是最容易获得的物质，它无毒、不燃烧、不爆炸、价格低廉、气化潜热大，但常温下它的饱和压力很低、比体积很大。例如当温度为30℃时，它的饱和压力4.27kPa、比体积为32.93m3/kg。当温度低达50℃时，它们分别为0.874kPa和147.1m3/kg。一般情况下水达0℃时就